Ammoniak-Cracker als Demonstrationsanlage

Noch läuft die Inbetriebnahme nicht, auf dem Baufeld herrscht aber bereits reger Betrieb. Zwischen Gerüsten, Rohrleitungen und Anlagenkomponenten sind die Platzverhältnisse eng. Ein Kran wird gerade zurückgebaut, während an anderer Stelle die Montage weitergeht. Für Uniper und Thyssenkrupp Uhde beginnt damit die letzte Bauphase einer Versuchsanlage, mit der sie das großtechnische Cracken von Ammoniak erproben wollen.

Der Standort am Kraftwerk des Energiekonzerns in Gelsenkirchen-Scholven bringt dabei Vor- und Nachteile mit sich. Das Baufeld ist mit rund 4.700 m² zwar überschaubar, wird aber von bestehenden produktführenden Leitungen eingerahmt. Eine Ringstraße erschließt die Baustelle. Liefert dort ein Lkw Material an, kann das bereits einen Teil der Zufahrt blockieren. Mit zunehmender Montage wurde die Logistik anspruchsvoller. Während große Komponenten zu Beginn noch auf ein weitgehend freies Baufeld gebracht werden konnten, müssen beispielsweise beim Abbau des Krans Wege zwischen bereits installiertem Equipment gefunden werden.

Vom vorbereiteten Baufeld zur Anlage

Begonnen hat das Engineering 2024. Anfang 2025 wurden Komponenten mit langen Lieferzeiten bestellt und die Genehmigung eingeholt. Uniper übernahm das Vorbereiten des Standorts: Baugrube, Fundamente, unterirdische Leitungen, Entwässerung und Straßen wurden hergestellt. Im März 2026 übergab das Unternehmen das vorbereitete Baufeld an den Anlagenlieferanten Thyssenkrupp Uhde. Innerhalb von rund sechs Monaten wurde dort ein Großteil der eigentlichen Versuchsanlage aufgebaut.

Die Anlage soll täglich 28 t Ammoniak verarbeiten und daraus rund 4 t Wasserstoff erzeugen. Herzstück ist ein etwa 17 m hoher Reformer. Darin hängen sieben rund 12 m lange Reformerrohre mit etwa 100 mm Durchmesser. Sie entsprechen bei Abmessungen und Anordnung bereits den Rohren, die später in einer kommerziellen Anlage eingesetzt werden sollen. Der Unterschied liegt vor allem in der Anzahl: Statt sieben Rohren wären es dort mehrere Hundert. Die Entwickler sprechen deshalb nicht von einem klassischen Scale-up, sondern von einem „Numbering-up“.

Wärme möglichst im Prozess halten

Der eigentliche Prozess beginnt mit flüssigem Ammoniak, das bei Umgebungstemperatur mit etwa 20 bar in die Anlage gelangt. Schon vor dem Spalten wird es mit Wärme aus dem Prozess vorgewärmt. Diese Wärmeintegration ist entscheidend für die spätere Wirtschaftlichkeit: In einer kommerziellen Anlage bestimmen Ammoniakbedarf und -preis den weitaus größten Teil der Wasserstoffkosten. Entsprechend wertvoll ist jede Wärmemenge, die zurückgewonnen werden kann.

Über weitere Wärmetauscher wird der Stoffstrom auf Temperaturen im Bereich von etwa 650 bis 750 °C gebracht. Zunächst gelangt er in einen katalytisch gefüllten Vorreaktor. Dort wird bereits ein Teil des Ammoniaks gespalten. Anschließend wird der Gasstrom erneut aufgeheizt und dem eigentlichen Reformer zugeführt.

Dessen Reaktionsrohre sind ebenfalls mit Katalysator gefüllt. Von außen sorgen vier Brenner für die notwendige Wärme. Im Inneren der Rohre zerfällt Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff. Die Anordnung der sieben Rohre bildet unterschiedliche Positionen einer späteren Großanlage ab. Rohre in der Mitte des Reformerraums sind beispielsweise einer anderen Wärmeeinwirkung ausgesetzt als solche am Rand. Genau diese Unterschiede wollen die Projektpartner im Versuchsbetrieb untersuchen.

Fossiles Nachverbrennen in der Prozessindustrie ersetzen

Die Chemieindustrie will energieintensive Prozesse entweder aus Kosten- oder Umweltgründen effizienter gestalten. Wo VOC-haltige Abluft noch thermisch behandelt wird und erneuerbarer Strom verfügbar ist, kann die Abluftreinigung ein Baustein der Dekarbonisierung werden.

Nach dem Reformer gibt das heiße Produktgas zunächst wiederum Wärme an den Prozess ab. Ein Ammoniakwäscher entfernt anschließend nicht umgesetztes Ammoniak, bevor das Gas in die Druckwechseladsorption gelangt. Dort werden Wasserstoff und Stickstoff getrennt. Ein Restgasstrom mit Wasserstoff und teilweise Ammoniak wird nicht verworfen, sondern zur Feuerung zurückgeführt. Zusätzliche Prozesswärme kann ebenfalls durch Ammoniak oder anteilig durch Erdgas bereitgestellt werden.

Zwei Jahre mit verschiedenen Kampagnen

Die Versuchsanlage ist bewusst nicht für einen möglichst gleichförmigen Dauerbetrieb konzipiert. Nach der Inbetriebnahme soll ein zweijähriges Versuchsprogramm beginnen. Eine Kampagne dauert jeweils etwa sechs bis acht Wochen. In dieser Zeit wird die Anlage mit einem bestimmten Setup betrieben, ihre Performance vermessen und der Durchsatz gezielt verändert. Die Betreiber wollen unter anderem herausfinden, wie weit sich die Leistung reduzieren und anschließend wieder erhöhen lässt.

Danach wird die Anlage heruntergefahren und umgebaut. Katalysatoren, Brenner oder andere Komponenten können ausgetauscht werden, bevor die nächste Kampagne beginnt. Damit folgt etwa im Dreimonatsrhythmus eine erneute Inbetriebnahme. Verschiedene Katalysatoren werden zuvor im Labor gescreent, besonders aussichtsreiche Kandidaten kommen anschließend in Scholven zum Einsatz. Auch die Brenner sollen mit unterschiedlichen Brenngasen und Mischungen erprobt werden. Hinzu kommen Untersuchungen an Materialien, Druckwechseladsorption und Abgasreinigung.

Smoltek und Heraeus testen neuen Katalysator für Elektrolyse

Smoltek Hydrogen und Heraeus Precious Metals wollen in einem 3.000-stündigen Haltbarkeitstest die Betriebsstabilität einer nanostrukturierten Iridium-Katalysatorschicht für Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure bewerten. Das neue Material soll langfristig die Kosten bei der Produktion von grünem Wasserstoff verringern.

Gerade das wiederholte Hoch- und Herunterfahren ist technisch interessant. Im Reformer liegen nach Angaben der Projektpartner in den Rohren rund 700 °C und im Feuerungsraum etwa 900 °C an. Ein Kaltstart dauert daher Stunden und Temperatur- sowie Druckwechsel beanspruchen das Material. Kommerzielle Cracker sollen möglichst kontinuierlich laufen und bei Bedarf eher in Teillast gehen. In Scholven wird dagegen gerade untersucht, wie flexibel sich die Technik tatsächlich betreiben lässt.

Eigene Mannschaft für Versuchsanlage

Auch organisatorisch unterscheidet sich Scholven bewusst von einer späteren kommerziellen Anlage. Während eine industrielle Wasserstoffanlage dieser Größenordnung weitgehend automatisiert betrieben werden könnte, sollen die Fachleute hier möglichst genau verfolgen, was im Prozess passiert. Für den 24/7-Betrieb wird deshalb eine eigene Mannschaft aufgebaut. Insgesamt sind 16 Personen vorgesehen, darunter Betriebsleitung, Anlageningenieure, Techniker und Operatoren im Schichtbetrieb.

Auch beim Einsatzstoff nutzt das Projekt die vorhandene Infrastruktur. Am Standort existieren aus dem Kraftwerksbetrieb Ammoniaktanks, Bahnverladung und eine Pipeline. Für den Versuchsbetrieb werden voraussichtlich drei bis fünf Kesselwagen pro Woche benötigt. Grünes Ammoniak steht für diesen Betrieb nicht in den benötigten Mengen zur Verfügung, für den Prozess selbst spielt die Herkunft des Ammoniaks jedoch keine Rolle.

Der erzeugte Wasserstoff wird nicht vermarktet. Ursprünglich war eine Wasserstoffleitung vorgesehen, die jedoch nicht gebaut wurde. Alternativen, darunter eine Nutzung durch einen benachbarten Standort, wurden geprüft. Letztlich entschieden sich die Projektpartner für einen Dampfkessel: Der Wasserstoff wird dort verbrannt und der erzeugte Dampf ins Kraftwerk abgegeben.

Lizenz zum Nutzen von Technologie zum Ammoniak-Spalten

Uniper sichert sich in einer Rahmenvereinbarung ein Lizenzpaket, um die Technologie zur Ammoniak-Spaltung von Thyssenkrupp Uhde zu nutzen. Denn ohne eine solche Cracker-Technologie ist ein großvolumiger Import von Wasserstoff nicht realisierbar.

Scholven soll Risiko für Wilhelmshaven senken

Der eigentliche Maßstab für den Erfolg der Anlage liegt allerdings außerhalb Gelsenkirchens. Der Energiekonzern verfolgt in Wilhelmshaven Pläne für einen kommerzielle Ammoniak-Cracker mit einer Kapazität von rund 1.200 t/d. Scholven soll die technische Grundlage dafür liefern. In der ersten Versuchskampagne soll deshalb bereits die Konfiguration getestet werden, die derzeit für die kommerzielle Anlage favorisiert ist. Funktioniert sie wie erwartet, kann sie zur Designgrundlage für Wilhelmshaven werden.

Dabei geht es weniger um die Frage, ob Ammoniak grundsätzlich gespalten werden kann. Entscheidend sind Ausbeute, Energieeffizienz, Brennstoffbedarf, Flexibilität und das Verhalten der Komponenten im realen Betrieb. Schon geringe Abweichungen können bei einer späteren Großanlage über viele Betriebsjahre erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen haben. Für den Energiekonzern ist die Versuchsanlage deshalb vor allem eine Möglichkeit, das technologische Risiko vor einer wesentlich größeren Investition zu reduzieren.

Nach Abschluss der zweijährigen Versuchsphase soll die Anlage in Scholven wieder zurückgebaut werden. Bis dahin dürfte auf dem kleinen Baufeld noch viel Bewegung herrschen. Der Start des Testbetriebs ist für Ende Februar 2027 vorgesehen.